स्टेप मोटर सिस्टम मोशन कंट्रोल इंडस्ट्री का आधार हैं। हम ओपन-लूप सिस्टम बनाम क्लोज्ड-लूप सिस्टम के बीच अंतरों को देखेंगे और स्टेप मोटर सिस्टम को पहले से कहीं ज़्यादा तेज़, शांत और ज़्यादा ऊर्जा कुशल बनाने वाले नवीनतम विकासों की भी व्याख्या करेंगे।

स्टेप मोटर सिस्टम वोल्टेज ड्राइव और फुल स्टेपिंग के शुरुआती दिनों से बहुत आगे निकल चुके हैं। सबसे पहले PWM ड्राइव और माइक्रोस्टेपिंग आए और फिर डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर (DSP) और एंटी-रेजोनेंस एल्गोरिदम आए। अब, नई क्लोज्ड-लूप स्टेपर तकनीक यह सुनिश्चित कर रही है कि स्टेप मोटर आने वाले वर्षों में मोशन कंट्रोल इंडस्ट्री की आधारशिला बनी रहे।

चाहे गति रैखिक हो या घूर्णी, दो मुख्य विचार जो यह निर्धारित करते हैं कि कौन सी मोटर और ड्राइव प्रणाली सबसे उपयुक्त है, वे हैं टॉर्क और दक्षता। यह तब भी लागू होता है जब अंतिम अनुप्रयोग एक स्वचालित असेंबली सिस्टम, एक मटेरियल हैंडलिंग मशीन, एक 3D प्रिंटर, एक कार्टेशियन पोजिशनर, एक पेरिस्टाल्टिक पंप या अनगिनत अन्य अनुप्रयोगों में से एक हो जिसमें स्टेप मोटर एक पसंदीदा तकनीक है।

स्टेपर सिस्टम में नवीनतम विकास स्टेपर गति पर लूप को बंद करने के लिए कम लागत, उच्च रिज़ॉल्यूशन फ़ीडबैक डिवाइस और उन्नत डीएसपी का अनुप्रयोग है। इस तरह के नियंत्रण ओपन-लूप सिस्टम को बेहतर बनाने के लिए बंद-लूप स्टेपर प्रदर्शन को बढ़ाते हैं। जैसा कि हम देखेंगे, एक ऐसा बंद-लूप सिस्टम एक एकीकृत मोटर डिज़ाइन पर लागू होता है जिसमें एक फ़ीडबैक डिवाइस, ड्राइवर और नियंत्रक बोर्ड, पावर, संचार और I/O इलेक्ट्रॉनिक्स, और मोटर के किनारे और पीछे सिस्टम कनेक्टर शामिल होते हैं।

ओपन-लूप बनाम क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम
सबसे पहले आइए देखें कि टॉर्क और दक्षता के संदर्भ में उच्च प्रदर्शन वाले बंद-लूप स्टेपर सिस्टम की तुलना पारंपरिक खुले-लूप स्टेपर सिस्टम से कैसे की जाती है।

प्रयोगशाला परीक्षण के परिणामों में प्रदर्शित ओपन-लूप सेटअप की तुलना में क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम का प्रदर्शन बेहतर है, जिसमें दो सिस्टम के त्वरण (टॉर्क), दक्षता (बिजली की खपत), स्थिति त्रुटि (सटीकता), गर्मी उत्पादन और शोर के स्तर की तुलना की गई है। बस टॉर्क और त्वरण के बीच के संबंध पर विचार करें। टॉर्क-स्पीड कर्व्स एक ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम की उपयोगी टॉर्क रेंज के साथ-साथ एक क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम की पीक और निरंतर टॉर्क रेंज दिखाते हैं। बहुत बार, वास्तविक दुनिया में टॉर्क त्वरण में बदल जाता है - इसलिए अधिक टॉर्क वाली मोटरें किसी दिए गए लोड को तेज़ी से गति दे सकती हैं।

प्रयोगशाला में टॉर्क प्रदर्शन में इस अंतर का परीक्षण करने के लिए, समान आकार के ओपन-लूप और क्लोज्ड-लूप स्टेप मोटर सिस्टम को समान जड़त्वीय भार मिलता है। प्रोग्रामिंग दोनों प्रणालियों को समान मूव प्रोफाइल करने का आदेश देती है, सिवाय इसके कि प्रत्येक सिस्टम में त्वरण दर और शीर्ष गति धीरे-धीरे बढ़ाई जाती है जब तक कि वे पोजिशनिंग त्रुटियाँ नहीं करते।

मान लीजिए कि ओपन-लूप प्रणाली को अधिकतम त्वरण दर 1,000 रेव/सेकेंड मिलती है²और 10 रेव/सेकेंड (600 आरपीएम) की शीर्ष गति। 10 रेव/सेकेंड की यह शीर्ष गति टॉर्क-स्पीड कर्व के समतल भाग के समाप्त होने से संबंधित है। बंद-लूप सिस्टम (इसकी उच्च टॉर्क उत्पादन क्षमता के कारण) 2,000 रेव/सेकेंड की अधिकतम त्वरण दर प्राप्त करता है²और इसकी अधिकतम गति 20 रेव/सेकेंड (1,200 आरपीएम) है। यह ओपन-लूप सिस्टम के प्रदर्शन से दोगुना है और मूव टाइम को लगभग आधा कर देता है - 110 एमएसईसी से घटाकर 60 एमएसईसी कर देता है।

उच्च थ्रूपुट की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए (जैसे इंडेक्सिंग, एज गाइड पोजिशनिंग और पिक-एंड-प्लेस सिस्टम) क्लोज्ड-लूप सिस्टम स्पष्ट प्रदर्शन लाभ प्रदान करता है।

ओपन-लूप बनाम क्लोज्ड-लूप दक्षता

ओपन-लूप बनाम क्लोज्ड-लूप सिस्टम की सापेक्ष दक्षता को मापने के लिए, मान लें कि हम समान आकार के दो समान मोटरों के साथ एक ही परीक्षण दोहराते हैं। इस बार हम क्लोज्ड-लूप और ओपन-लूप मोटरों को एक ही जड़त्वीय भार के साथ-साथ चलाते हैं, लेकिन प्रोग्रामिंग चलाते हैं जो मूव प्रोफाइल को स्थिर और बराबर रखता है, ताकि दोनों सिस्टम समान मात्रा में काम करें।

जबकि दो मोटर बार-बार एक ही मूव प्रोफ़ाइल को इंडेक्स करते हैं, दोनों सिस्टम को खिलाने वाली डीसी पावर सप्लाई से करंट ड्रॉ को मापा जाता है और बिजली की खपत की गणना की जाती है। जैसा कि वैल्यू प्लॉट में देखा जा सकता है, ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम की औसत बिजली खपत 43.8 वाट है, जबकि क्लोज्ड-लूप सिस्टम की केवल एक तिहाई है - औसतन 14.2 वाट। बिजली की खपत में यह नाटकीय अंतर स्पष्ट रूप से क्लोज्ड-लूप सिस्टम के उच्च दक्षता संचालन को दर्शाता है। कोई भी उपयोगकर्ता जो अपने ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम की सिस्टम दक्षता को बढ़ाना चाहता है, अब क्लोज्ड-लूप सिस्टम में एक सरल अपग्रेड पर विचार कर सकता है और काफी कम खपत की उम्मीद कर सकता है।

मोटर हीटिंग का समाधान कैसे करें

बिजली खपत परीक्षणों का एक स्वाभाविक विस्तार मोटर हीटिंग की जांच है। ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम सरल जानवर हैं। कोई बस मोटर के रेटेड करंट के लिए ड्राइव सेट करता है और ड्राइव हर समय मोटर को उस करंट की आपूर्ति करने की पूरी कोशिश करेगा, चाहे परिणामी टॉर्क की आवश्यकता हो या न हो। यह अक्सर अनुप्रयोग फ़ंक्शन की ओर ऊर्जा के बजाय गर्मी उत्पन्न करने का कारण बनता है - और यही कारण है कि ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम आमतौर पर बंद-लूप समकक्षों की तुलना में अधिक गर्म होते हैं। इसका यह भी अर्थ है कि मशीन डिजाइनरों को इस गर्मी से निपटने के लिए अतिरिक्त कदम उठाने चाहिए, अक्सर स्टेप मोटर्स के चारों ओर विशेष सुरक्षा शामिल करके जो मानव ऑपरेटरों के आसपास चलेंगे, या पंखे जैसे अतिरिक्त शीतलन प्रणाली स्थापित करके।

ऊपर बताए गए ओपन-लूप और क्लोज्ड-लूप सिस्टम का उपयोग करके प्रयोगशाला में किए गए मोटर हीटिंग परीक्षण के परिणामों पर विचार करें। इस परीक्षण में, दोनों सिस्टम फिर से समान जड़त्वीय भार को चलाने वाले समान मात्रा में कार्य करते हैं, और उन्हें तब तक संचालित होने दिया जाता है जब तक वे थर्मल संतुलन तक नहीं पहुंच जाते। ओपन-लूप सिस्टम 76.0 डिग्री सेल्सियस के केस तापमान पर पहुंचता है, जबकि क्लोज्ड-लूप सिस्टम केवल 36.9 डिग्री सेल्सियस के केस तापमान पर थर्मल संतुलन तक पहुंचता है - जो ओपन-लूप सिस्टम के आधे से भी कम है। मोटर हीटिंग में यह महत्वपूर्ण कमी मशीन बिल्डरों के लिए कम घटक लागत का मतलब हो सकती है, क्योंकि वे अतिरिक्त सुरक्षा और शीतलन उप-प्रणालियों को छोड़ सकते हैं।

अब शोर मचाने वाली मोटरें नहीं

ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम के बारे में एक और आम शिकायत यह है कि वे काफी श्रव्य शोर करने के लिए जाने जाते हैं। प्रयोगशालाओं, अस्पतालों और कार्यालयों जैसे कुछ वातावरणों में, यह शोर मशीन डिजाइनरों के लिए एक वास्तविक समस्या बन सकता है।

स्टेप मोटर द्वारा उत्सर्जित शोर उच्च विद्युत आवृत्ति और स्टेटर दांतों में तेजी से होने वाले फ्लक्स परिवर्तनों से उत्पन्न होता है, और क्योंकि ओपन-लूप सिस्टम लोड की परवाह किए बिना पूर्ण रेटेड करंट पर संचालित होते हैं। दूसरी ओर, क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम, मोटर को लोड को नियंत्रित करने के लिए पर्याप्त करंट की आपूर्ति करते हैं और इसके परिणामस्वरूप बहुत कम श्रव्य शोर होता है।

इस लेख के साथ ध्वनिक शोर के प्लॉट में दिखाए गए परीक्षण परिणामों को प्राप्त करने के लिए, प्रत्येक सिस्टम के ध्वनिक शोर को ध्वनिरोधी कक्ष में मापा जाता है। बंद-लूप सिस्टम 0 से 20 रेव/सेकंड की गति पर खुले-लूप विकल्प की तुलना में नाटकीय रूप से शांत है। यह गति सीमा उन अनुप्रयोगों की वास्तविक दुनिया की गति सीमा के साथ मेल खाती है जहाँ स्टेप मोटर सिस्टम का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है, जिसका अर्थ है कि बंद-लूप सिस्टम पर स्विच करने पर स्टेप मोटर अनुप्रयोगों के विशाल बहुमत को कम मोटर शोर से लाभ हो सकता है।

स्थिति संबंधी त्रुटियों को दूर करने के लिए बेहतर मोटर सटीकता

ओपन-लूप स्टेप मोटर सिस्टम को फीडबैक मैकेनिज्म या क्लोज्ड-लूप कंट्रोल सिस्टम के बिना लोड को सटीक रूप से पोजिशन करने की उनकी क्षमता के लिए सराहा जाता है, लेकिन केवल तभी जब ओपन-लूप सिस्टम में पर्याप्त टॉर्क मार्जिन हो ताकि सामान्य ऑपरेशन के दौरान पोजिशन एरर न हो। बेहतर सटीकता के लिए, और अधिक मजबूत सिस्टम डिज़ाइन के लिए, हाई रेजोल्यूशन एनकोडर से फीडबैक के आसपास सर्वो पोजिशन लूप को बंद करने से क्लोज्ड-लूप सिस्टम को टॉर्क डिमांड में वृद्धि के लिए स्वचालित रूप से क्षतिपूर्ति करने की अनुमति मिलती है जो अन्यथा ओपन-लूप सिस्टम में पोजिशन एरर का कारण बनती है। यह समग्र सिस्टम सटीकता में काफी सुधार करता है, विशेष रूप से अत्यधिक गतिशील अनुप्रयोगों जैसे कि पिक-एंड-प्लेस सिस्टम और 3D प्रिंटर के लिए जहां छोटी, तेज चाल और दिशा के लगातार बदलाव की आवश्यकता होती है।

मौजूदा स्टेपर प्रणालियों को उन्नत करना

एक एकीकृत स्टेप मोटर प्रणाली के घटकों में से, मोटर, पावर एम्पलीफायर और संचार लागत आम तौर पर ओपन-लूप से क्लोज्ड लूप में जाने पर नहीं बढ़ेगी। नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स को मोटर को सर्वो नियंत्रित करने के लिए थोड़ी अधिक केंद्रीय प्रसंस्करण शक्ति या मेमोरी की आवश्यकता हो सकती है, लेकिन इनका आमतौर पर सूची कीमतों पर प्रभाव नहीं पड़ता है। ओपन-लूप और क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम के बीच लागत का अधिकांश अंतर एक उच्च रिज़ॉल्यूशन फीडबैक डिवाइस के अतिरिक्त होने में निहित है, लेकिन विनिर्माण में परिशोधन ने इन उपकरणों को तेजी से सस्ती बना दिया है। तो अब, क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम अन्य प्रकार के पोजिशनिंग सिस्टम - जैसे कि एक पारंपरिक सर्वो - पर ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम के लागत लाभ को बनाए रखते हैं, लेकिन लगभग हर तरह से बहुत अधिक प्रदर्शन के साथ।

न्यूनतम लागत वृद्धि के अलावा, NEMA फ्रेम आकार की पेशकश के साथ ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम से क्लोज्ड-लूप सिस्टम में अपग्रेड करना सरल है। क्लोज्ड-लूप NEMA 23 स्टेप मोटर में ओपन-लूप NEMA 23 स्टेप मोटर के समान फ्रेम आकार, पायलट व्यास, बोल्ट होल सर्कल और बोल्ट होल व्यास होता है, इसलिए माउंटिंग ब्रैकेट समान रहते हैं। क्लोज्ड-लूप सिस्टम से उपलब्ध अधिक टॉर्क का मतलब है कि क्लोज्ड-लूप स्टेप मोटर का शाफ्ट व्यास बड़ा हो सकता है, लेकिन इसे आमतौर पर शाफ्ट कपलिंग के एक साधारण बदलाव के साथ काफी आसानी से हल किया जा सकता है।